AlegsaOnline.com

GPS ehk globaalne positsioneerimissüsteem: mis see on ja kuidas töötab

GPS ehk globaalne positsioneerimissüsteem selgitatud: kuidas satelliidid määravad asukohta, kiirust ja suunda ning kuidas GPS aitab navigeerida ja reise planeerida.

Autor: Leandro Alegsa Loomise kuupäev: 21. veebruar 2022 Viimane uuendus: 14. oktoober 2025

simple.wikipedia.org · Public domain

Globaalne positsioneerimissüsteem, tuntud ka kui GPS, on satelliitide süsteem, mis on loodud selleks, et aidata navigeerida maa peal, õhus ja vees.

GPS-vastuvõtja näitab, kus see asub. See võib näidata ka seda, kui kiiresti ta liigub, millises suunas ta liigub, kui kõrgel ta on ja võib-olla ka seda, kui kiiresti ta üles või alla läheb. Paljudel GPS-vastuvõtjatel on teave kohtade kohta. Autode GPS-vastuvõtjatel on reisiandmed, näiteks teekaardid, hotellid, restoranid ja teenindusjaamad. Paatidele mõeldud GPS-seadmed sisaldavad merekaarte sadamate, jahisadamate, madalate veekogude, kivide ja veeteede kohta. Teised GPS-vastuvõtjad on valmistatud aeronavigatsiooniks, matkamiseks ja seljakotiga matkamiseks, jalgrattasõiduks või paljudeks muudeks tegevusteks. Enamik neist on nutitelefonides.

Enamik GPS-vastuvõtjaid suudab salvestada, kus nad on käinud, ja aitab planeerida reisi. Planeeritud teekonna ajal ennustab see aega järgmise sihtkohani ning kuvab tavaliselt hinnangulise saabumisaja (ETA). Paljud seadmed võimaldavad salvestada marsruute, jagada asukohta ja sünkroniseerida neid teiste teenustega.

Kuidas GPS töötab

GPS põhineb satelliitide saatmisel signaale, mida vastuvõtjad saavad ja analüüsivad. Iga GPS-satelliit saadab pidevalt oma asukoha ja täpse aja signaali. Vastuvõtja mõõdab signaali tekkeks kulunud aega ja teisendab selleksulgeva aja kauguseks (kuna raadiolained liiguvad valguse kiirusega). Kui vastuvõtja teab kaugust mitmest (tavaliselt vähemalt neljast) satelliidist, saab ta trilatatsiooni abil arvutada oma asukoha kolmemõõtmelises ruumis ning korrigeerida kellaaja erinevust.

GPS-i põhikomponendid

Ruumisegment (satelliidid) – orbiidil olevad satelliidid, mis edastavad signaale ja kellaaega. GPS-süsteem koosneb tavaliselt üle 20 tööss olevast satelliidist, mis tagavad kogu maailma katvuse.
Kontrollisegment – maapealsed jaamad, mis jälgivad satelliitide rada, kellaaega ja saatvaid signaale ning edastavad vajalikud täiendused.
Kasutajasegment – GPS-vastuvõtjad (nt nutitelefonid, autonavid, paadi- ja lennuseadmed), mis arvutavad paiknemise ja näitavad kasutajale vajalikku infot.

Täpsemalt: miks on vaja 4 satelliiti?

Kolme satelliidi signaalitest piisab teoreetiliselt positsiooni leidmiseks maapinnal (x, y, z), kuid vastuvõtja kella täpne seadistus erineb satelliitide atomkelladest. Seetõttu on tarvis neljandat satelliiti, et lahendada ka kellaaja erinevuse (niisiis neljas tundmatu) ning saada täpne asukoord.

Täpsus ja piirangud

GPS-i täpsus sõltub mitmest tegurist:

Signaali kvaliteet – tugevad, selged signaalid annavad parema täpsuse; hooned, mets või siseruumid võivad signaali nõrgendada.
Atmosfäärilised mõjud – ionosfääri ja troposfääri tingimused aeglustavad signaali liikumist ja võivad põhjustada vigu.
Mitmekordne teekond (multipath) – signaalid peegelduvad hoonetel või veepinnal ning jõuavad vastuvõtjasse mitme teega, põhjustades vale kauguse mõõtmist.
Süsteemivead ja segamisvõimalused – signaali häirimine (jamming) või vale signaali pealesaatmine (spoofing) võivad mõjutada usaldusväärsust.
Satelliitide positsioonide jaotumine – kui satelliidid on taevas üksteise lähedal, halvendab see positsiooni täpsust (seda kirjeldab PDOP - Positional Dilution of Precision).

Tavakasutajasüsteemid annavad tihti täpsuse mõne meetri kuni kümne meetri piires. Täpsema positsiooni jaoks kasutatakse lennunduses ja põllumajanduses lisasüsteeme (nt SBAS nagu EGNOS/WAAS või RTK), mis võivad parandada täpsust meetritelt sentimeetritele.

Lisasüsteemid ja täiustused

SBAS (Satellite-Based Augmentation Systems) — geograafilised täiendussüsteemid nagu EGNOS (Euroopas) ja WAAS (Põhja-Ameerikas) parandavad positsiooni täpsust ja usaldusväärsust.
DGPS (Differential GPS) — kasutab maapealseid baasjaamu täpsusvigade korrigeerimiseks.
RTK (Real-Time Kinematic) – tehnika, mis kasutab kohalikke baasjaamu ja faasilisi signaale, et saavutada sentimeetrine täpsus.
Muud GNSS – lisaks GPS-ile eksisteerivad ka teised globaalsete navigatsioonisüsteemid nagu GLONASS, Galileo ja BeiDou; mitme süsteemi kombineerimine parandab katvust ja täpsust.

Kasutusalad

GPS-il on väga lai rakendusala. Näited:

Navigatsioon maanteedel ja linnades (Autode navigeerimine).
Merendus ja jahindus koos merekaartide ja sadamate teabega.
Lennundus ja aeronavigatsiooniks vajalik täpne positsioneerimine.
Väljasõidud ja matkamine, jalgrattasõit (jalgrattasõiduks), geopeitus.
Kohalikud teenused — otsingud ja soovitused hotellide, restoranide ja teenindusjaamade leidmiseks.
Täpsusrakendused põllumajanduses, ehituses ja teadusuuringutes.
Tõstukite ja varade jälgimine, hädaabitellimused ja logistikalahendused.

Nutikad telefonid ja GPS

Tänapäeva nutitelefonides on GPS-ile lisaks tavaliselt ka GLONASS-, Galileo- ja BeiDou-toetus ning abiandmed (A-GPS), mis kiirendavad asukoha leidmist. Nutiseadmed kasutavad sageli ka mobiilsideandmeid, Wi-Fi ja inertsimõõdikuid (kiirendusmõõtur, güroskoop), et parandada positsiooni ja toimida sisetingimustes paremini.

Privaatsus ja ohutus

GPS-asukoha jagamine võimaldab mugavaid teenuseid, kuid toob kaasa ka privaatsus- ja turvariske. Tasub kontrollida rakenduste õigusi, vältida ebavajalikku asukoha jagamist ning olla teadlik sellest, kuidas ja kellega asukoondandmeid jagatakse. Samuti võivad mõned seadmed ja rakendused jätta geosildistatud fotosid või logisid, mis võivad avaldada isiklikku liikumisteavet.

Kokkuvõte

GPS on võimas tehnoloogia, mis põhineb satelliitidel, täpsel ajal ja trilatatsioonil. See võimaldab inimestel ja seadmetel määrata asukohta, navigeerida, salvestada marsruute ning toetada mitmeid tööstusharusid. Kuigi tavakasutuses on täpsus tihti mitme meetri suurusjärgus, võimaldavad täiustused nagu SBAS, DGPS ja RTK saavutada palju paremat täpsust vastavalt vajadusele. GPS ja teised GNSS-tehnoloogiad arenevad edasi ning muutuvad järjest täpsemaks ja laialdasemalt kättesaadavaks.

GPS-vastuvõtjad. Inimesed saavad neid kaasas kanda, et tuvastada, kus nad on, ja planeerida, kuhu ja kuidas järgmisesse kohta minna.

Kuidas see töötab

GPS-seade võtab raadiosignaale Maa ümber tiirlevatelt satelliitidelt. Maa kohal on 31 satelliiti 20 200 kilomeetri kõrgusel. Orbitaalperiood on 11 tundi ja 58 minutit. Iga ringi raadius on 26 600 kilomeetrit (16 500 mi) Maa raadiuse tõttu. Kaugel põhjapoolusest ja lõunapoolusest võib GPS-seade võtta korraga vastu 6 kuni 12 satelliidi signaale. Iga satelliit sisaldab aatomikella, mida NORAD iga päev mitu korda hoolikalt seadistab.

Raadiosignaalid sisaldavad teavet satelliidi aja ja asukoha kohta, sealhulgas selle efemeriisi. GPS-vastuvõtja lahutab signaali saatmise ajast jooksva aja. Erinevus näitab, kui kaua aega tagasi signaal saadeti. Aegade vahe korrutatud valguse kiirusega on kaugus satelliidini. GPS-seade kasutab trigonomeetriat, et arvutada iga satelliidi asukoha ja kauguse põhjal, kus ta on. Tavaliselt peab geomeetriliste võrrandite lahendamiseks olema vähemalt neli satelliiti. GPS-vastuvõtja suudab oma asukoha arvutada mitu korda ühe sekundi jooksul.

Paljud odavad tarbijavastuvõtjad on täpsed kuni 20 meetri (66 jala) täpsusega peaaegu igal pool maakeral.

GPS-seade suudab tavaliselt arvutada ka oma praeguse kiiruse. Odavad seadmed, näiteks mobiiltelefonid, teevad seda praeguse asukoha ja hiljutise asukoha võrdlemise teel. Kallid seadmed, nagu näiteks lennukis, kasutavad Doppleri efekti ja on väga täpsed.

GPS-satelliidid tiirlevad Maa ümber neljas tasapinnas, lisaks rühm ekvaatori kohal. Sinised satelliidid on GPS-vastuvõtjale nähtavad 45° põhjalaiusel. Punased satelliidid on Maa poolt blokeeritud.

Ajalugu

Erinevad raadionavigatsioonisüsteemid on olnud kasutusel alates 20. sajandi keskpaigast. 1960ndatel aastatel tehti katseid, mille käigus paigutati raadiosaatjad satelliitidesse. Uus süsteem, mida esialgu nimetati Navstariks, kavandati 1970. aastatel Ameerika Ühendriikide õhujõudude poolt. Sellest sai GPS ja seda kasutas ainult USA sõjavägi. 1983. aastal andis president Ronald Reagan korralduse, mis lubas süsteemi kasutada kõigil, kuigi see oli veel liiga väike, et olla väga kasulik. Kõrgeima täpsusega signaal oli krüpteeritud ja ainult relvajõududel oli lubatud seda kasutada, kuid 1990ndatel aastatel dekrüpteeriti see ajutiselt ja sajandivahetusel muudeti see püsivaks.

Mõned GPS-vastuvõtjad on eraldi seadmed, millel on oma toide ja ekraan. Need olid 20. sajandil enamuses. Sõjalised vastuvõtjad näitasid siis ainult geograafilisi koordinaate või mõnel neist ei olnud kuvarit, vaid andsid koordinaadid ainult teisele seadmele.

Nüüdseks on enamik GPS-vastuvõtjaid mobiiltelefonide osa ning paljud neist on sisse ehitatud käekelladesse, autodesse ja muudesse seadmetesse. Mobiiltelefonide GPS-osad on väikesed ja tavaliselt kehvad, kuid telefon kasutab abiks ka mobiilside tugijaamu ja Wi-Fi-signaale.

Muud süsteemid

On ka teisi süsteeme, mis toimivad samamoodi. Üks neist on kosmosesse pandud Venemaa poolt ja seda nimetatakse GLONASSiks. Teine, mida veel ei ole tehtud, kannab nime Galileo ja seda ehitab Euroopa Liit.

Küsimused ja vastused

K: Mis on globaalne positsioneerimissüsteem (GPS)?

V: GPS on satelliitide süsteem, mis on loodud selleks, et aidata navigeerida maa peal, õhus ja vees.

K: Mida näitab GPS-vastuvõtja?

V: GPS-vastuvõtja näitab, kus ta on, kui kiiresti ta liigub, millises suunas ta liigub, kui kõrgel ta on ja võib-olla ka seda, kui kiiresti ta üles või alla läheb.

K: Millist teavet sisaldavad autode GPS-vastuvõtjad?

V: Autode GPS-idel on reisiandmed, näiteks teekaardid, hotellid, restoranid ja teenindusjaamad.

K: Millist teavet sisaldavad paatidele mõeldud GPSid?

V: Paatide GPS-id sisaldavad merekaarte sadamate, jahisadamate, madalate veekogude, kivide ja veeteede kohta.

K: Millisteks muudeks tegevusteks on GPS-vastuvõtjad mõeldud?

V: Teised GPS-vastuvõtjad on valmistatud aeronavigatsiooniks, matkamiseks ja seljakotiga matkamiseks, jalgrattasõiduks või paljudeks muudeks tegevusteks.

K: Kus on enamik GPS-vastuvõtjaid?

V: Enamik GPS-vastuvõtjaid on nutitelefonides.

K: Mida saab enamik GPS-vastuvõtjaid teha?

V: Enamik GPS-vastuvõtjaid saab salvestada, kus nad on käinud, ja aidata planeerida reisi. Planeeritud teekonda läbides ennustab ta aega järgmise sihtkohani.